经典模拟滤波器仍值得研究吗?

2019年04月19日 作者:satoll

您对经典的模拟滤波器有何看法?每一位电子工程师都必须精通?或者,滤波器分析就像是一个用来测试学生是否适合模拟设计世界的测试?

对于大多数的电路和系统来说,使用电感器、电容器和电阻器的模拟滤波器至关重要。无论是被动还是主动设计,透过具有高难度数学的理论结构、实际的「应用说明」(application note)设计与物料清单(BOM),以及甚至是具有实体建构细节的实作电路等途径,有时候似乎将其研究至「超越无限」的境地。

这并不难理解,因为无论是哪一个应用领域,滤波器都在讯号路径中扮演多种重要角色。无论是低通、高通、带通还是陷波滤波器,即使无法为讯号带来什么价值,他们都还是必要的,因为滤波器有助于提高讯号噪声比(SNR)、减少来自邻近通道的干扰,以及衰减50/60Hz的拾音等。

尽管如此,经典的滤波器理论是一个可以引发学生和工程师好奇心的主题,因为它们包括各种令人惊艳以及极其枯燥的不同版本,同时还有许多不同的拓扑结构,例如pi-filter (如图1)、Chebyshev、Sallen-Key、Butterworth、Cauer (椭圆)以及高斯(Gaussian)等等。而其属性也各不相同,包括一阶、二阶、滚降(roll-off)、通带纹波、阻带纹波、相位性能、平衡(差分)等等,可说是「族繁不及备载」。

图1:Pi Filter(来源:Quora)

图2:Rose-Hulman Sallen-Key Filter

(当然,这些都只是经典的全模拟滤波器。除此之外,还有准模拟开关电容滤波器,可在多个电容器之间使用电荷均衡和频率切换以实现滤波器功能。这些都为滤波器带来更多的价值,因为它们与IC制程兼容,在许多情况下都不必再使用分离式组件滤波器。)

经典模拟滤波器可用于数百MHz至GHz范围。然而,这些集总组件(lumped-element)滤波器越来越难设计以及制造用于更高频率。寄生效应以及组件容差和漂移为其带来真正的挑战,而且这些滤波器通常需要个别修整,以抵消其难以建模的现实。

因此,如果少了分离式组件滤波器的其他替代方案,考虑到尺寸、性能、一致性和成本等,在我们周遭的许多装置可能都会变得不切实际。这些产品显然非常实用,主要就是因为采用了完全不同的模拟滤波器途径:表面声波(SAW)和体声波(BAW)滤波器(以及薄膜体声波谐振器——FBAR)。SAW和BAW技术已在过去几十年来发展地相当成熟了,可以创造完全不同于独立式组件模拟滤波器的低成本、高性能组件。

他们利用众所周知的多功能压电效应,将电能转换为沿表面(SAW)或在工程陶瓷晶体材料(BAW)内传播的声波。SAW组件可在大约1 GHz的频率下运作,而BAW组件可在1 GHz以下到multi-GHz的覆盖范围内重迭。这两种组件的共同点之一在于都不需要研究经典的集总组件模拟滤波器设计理论和实践。

图3:基本SAW滤波器(SAW、BAW以及图1的未来无线版本)

图4:SAW、BAW以及图2的未来无线版本

 

然而,现实情况是经典的模拟滤波器在当今大部份设计活动中的重要性越来越小了,但学校仍然在详细地教授这方面的课程。我最近针对十几所大学提供的大学部电子工程(EE)课程进行了一项调查,我发现除了两所大学之外,其他的大学都开设了经典过滤器设计的课程(但不清楚是必修还是选修课程)。只有两所大学开设SAW和BAW课程。

这是因为学校教师觉得经典设计仍有其必要性吗?还是因为他们教起来很轻松?或者因为有太多辅助数据可用于轻松地支持这门课?我跟你一样毫无头绪。

我认为经典的模拟滤波器理论现在应该被当作一门概论/调查课程来教授:介绍滤波器的用途是什么、为什么需要、有哪些不同类型与关键特性,以及用于量化其性能的参数——而且以最小的数学含量。那些最终需要了解更多(或者由于某种原因而喜欢这个话题的人),都可以很容易地找到它。让他们更能够专注于现在和未来的滤波器,包括SAW、BAW、谐振结构,以及甚至是用于微波的波导滤波器(没错,仍然广泛使用)。更棒的是了解用于低于10 GHz应用的滤波器,如5G或77 GHz汽车雷达等。

您对经典的模拟滤波器有何看法?你很喜欢但准备好放手了吗?它们是否会让你感到不安,因而希望看到它们变得不那么受关注?或者它们是类似于Maxwell方程式的关键建构模块,每位电子工程师都必须精通而不只是熟悉而已?又或许你的观点更悲观,觉得滤波器分析就像是一个用来测试学生是否真的适合模拟设计世界的测试?

(来源:Planet Analog 编译:Susan Hong

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